CA6140 普通车床数控化改造设计中的横向进给传动系统设计1141010130060007

1、成人高等教育课程设计题 目 CA6140 普通车床数控化改造设计中的横向进给传动系统设计 学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化年 级 2014 姓 名 黎洪周（学号：141010130060007）指导教师 梁健 （2016年01月）广东工业大学继续教育学院制目录0、CA6140普通车床概述·····················31、 技术要求··

2、························42、 实施方案························

3、3;·53、 横向进给传动链的设计计算·················5-84、滚珠丝杠螺母副的承载能力校验················9-105、 计算机械传动系统的刚度·······

4、;···········10-116、驱动电动机的选型与计算···················11-157、总结···············&#

5、183;·············158、【参考文献】·························150 CA6140普通车床概述 普通车床是金属切削加工中最常用的一类机床，图1所示为CA6140型普通车床的布局图

6、。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向移动和横向移动，车床能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具，车床还能加工各种成形回转表面。图1 CA6410型普通车床的结构布局普通车床刀架纵向（横向）的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板（横溜板）移动。进给参数要靠手工预先调整好，如果要改变参数，则要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的、能独立运动的进给伺服系统；将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车

7、床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量、多品种复杂零件的加工。1 技术要求1.1 总体方案总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型、计算机(CNC装置)以及传动方式的选择等。1.1.1数控系统的选择普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能，因此普通车床数控化改造所选用的数控系统应为连续控制系统。目前，市场上适用于普

8、通车床数控化改造的数控系统较多，如西门子公司的SIEMENS802S型系统、华中数控公司的“世纪星”21/22型系统、广州数控公司的980T型系统等等。1.1.2 伺服系统的选择普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。当然，也可以采用以伺服电动机为驱动装置的半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。1.1.3功能部件的选择 这主要是滚珠丝杠及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等。1.1.4结构设计与电气设计 这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机

9、床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形图设计等等。在上述方案的基础上，若条件允许，可以进一步对普通车床的主传动系统进行改造，以实现车床主传动系统的自动调速与控制，使加工过程实现全自动化。1.2 设计参数 设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟实施数控化改造所需要的参数。以CA6140型车床的改造为例，设计参数如下。 最大加工直径：在床面上，400mm；在床鞍上，210mm。 最大加工长度：1000mm。行程：纵向，1000mm；横向，200mm。快速进给：纵向，2400mm/min；横向，1200mm/min。最大切削进给速度：纵向，500mm/

10、min；横向，250mm/min。溜板及刀架质量：纵向，81.63kg；横向，250mm/min。主电机功率：7.5KW。定位精度：0.04mm/全行程。重复定位精度：0.016mm/全行程。程序输入方式:增量值、绝对值通用。控制坐标数：2。脉冲当量：纵向，0.01mm/脉冲；横向，0.005mm/脉冲。2 实施方案进给系统数控化改造的主要部位有：挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等。现拟定以下改造方案。2.1挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。2.2进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操纵杠（“三杠”）拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠

11、。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。2.3溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母制座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。2.4横溜板部分：将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。2.5刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。3 横向进给传动链的设计计算3.1主切削力及其切削分力计算3.1.1 计算主切削力Fz。已知机床主电动机的额定功率Pm为7.5kW,最大工件直径D=400mm，主轴计算转速。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，刀具的切

12、削速度为 取机床的机械效率，则由式（2-6）1得3.1.2 计算各削切分力。走刀方向的切削力和垂直走刀方向的切削力可由式（2-4）1求出：主切削力、走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力如图2-11所示。3.2导轨摩擦力的计算3.2.1 由式（2-8a）1计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，导轨受到垂直切削分力，横向切削分力，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）（所受重力），查表2-31得镶条紧固力，取导轨动摩擦系数，则3.2.2 按式（2-9a）1计算在不切削状态下的导轨摩擦力和。 3.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力3.3.1 按式（2-10a）1计算最大轴向负载力。3.3

13、.2 按式（2-10b）1计算最小轴向负载力。 3.4 确定进给传动链的传动比和传动级数取步进电动机的步距角，滚珠丝杠的基本导程，进给传动链的脉冲当量脉冲，则由式（2-69）1得 按最小惯量条件，从图2-421和图2-431中查得该减速器应采用2级传动，传动比可以分别取。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为、，模数，齿宽。3.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算3.5.1 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定载荷 已知数控机床的预期工作时间，滚珠丝杠的当量载荷，查表2-281得，载荷系数；查表2-291，初步选择滚珠丝杠的当量转为3级精度，取精度系数为；查表2-301得，可靠性系数。取滚珠丝

14、杠的当量转数(该转速为最大切削进给速度 时的转速)，已知，滚珠丝杠的基本导程，则由（2-19）1得 3.5.2 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为40，重量定位精度为16，则由式（2-23）1、式（2-24）1得取上述计算结果的较小值，即。(2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度（1.2-1.4）行程+（25-30）取行程+30 =（

15、1.4×200+30×6）由式（2-25）1得 3.5.3 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据以上计算所得的、和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZI2506-3（见本书附录A表A-31），其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下：， 故满足要求。4滚珠丝杠螺母副的承载能力校验4.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，由图4-51可知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠水平安装时，取，查表2-44得，则由式（2-35）1得 本车床横向进给系统珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为,远小

16、于其临界压缩载荷值，故满足要求。4.2滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验由图4-51得滚丝杠螺母临界转速的计算长度，其弹性模量,密度/，重力加速度/。滚珠丝杠的最小惯性矩为滚珠丝的最小截面积为 取，由表2-441得，则由式（2-36）1得 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为41.67 ,远小于其临界转速，故满足要求。4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验查附录表A表A-31得滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷,滚珠丝杠的转速运转条件系数 ，则由（2-37）1、式（2-38）1得 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。5 计算机械传动系统的刚度5.1计算机械传动系统的

17、刚度5.1.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度。本机床横向进给传动链的丝杆支承方式为一端固定、一端游动。丝杠的拉压刚度可按式（2-42）1计算。已知滚珠丝的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，根据式（2-43a）1得 当时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，根据式（2-43b）1得 5.1.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。 已知滚动体直径，滚动体个数，轴承的最大轴向工作载荷,则由表2-451、2-461得 5.1.3计算滚珠与滚道的接触刚度。查附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载荷，已知滚珠丝杠上所承受的最大轴

18、向载荷，则由式（2-46b）1得5.1.4计算进给传动系统的综合拉压刚度。由式（2-47a）1得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。 由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为 故。5.2 计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度由图4-51得扭矩作用点之间的距离，已知滚珠丝杠的剪切模量，滚珠丝杠的底径，则由式（2-48）1得6驱动电动机的选型与计算6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量6.1.1 计算滚珠杠的转动惯量Jr。已知滚珠丝杠的密度，则由式（2-63）1得 6.1.2 计算折算到丝杆轴上的移动部件的转动惯量。已知机床横向进给系统执行部件（即横向溜板及刀架）的总质量；丝杆轴每转一圈

19、，机床执行部件在轴向移动的距离，则由式（2-63）1得 6.1.3 计算各齿轮的转动惯量。 6.1.4 由式（2-66）1计算加在电动机轴上总负载转动惯量。 6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩6.2.1 计算折算到电动机轴上的切削负载力矩。 已知在切削转态下的轴向负载力，丝杆每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离，进给传动系统的传动比，进给传动系统的总效率，则由式（2-54）1得 6.2.2 计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩。已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力），则由式（2-55）1得 6.2.3计算有滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩。已知滚珠丝杠螺母副

20、的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为 则由式（2-56）1得 6.2.4 折算到电动机轴上的负载力矩的计算。空载时（快进力矩），由式（2-27a）1得 切削时（工进力矩），由式（2-57b）1得 6.3计算折算到电动机轴上的加速力矩Tap根据以上计算结果和表A-51，初选130BF001型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量；对外环系统，一般取加速时间。当机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速为 由式（2-59）得 6.4计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩6.4.1 按式（2-61）1计算空载启动力矩。6.4.2 按式（2-57a）1计算快进力矩。6.4.3 按式（2-57 b）1计算工进力矩。6.5选择驱动电动机的型号6.5.1 选择驱动电动机的型号。根据以上计算和表A-51，选择国产130BF001型反应式步进电动机为驱